“雙一流”背景下土木工程專業(yè)基礎力學課程教學改革探索與對策

汪大洋　劉東瀅　王菁菁

摘? 要：當今高?！半p一流”建設環(huán)境對工科土木工程專業(yè)的基礎力學課程教學提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文從教育環(huán)境、現(xiàn)有課程體制、網(wǎng)絡信息化影響三個方面探討了開展基礎力學課程教學改革的必要性，就如何結合專業(yè)培養(yǎng)學生長足的力學課程學習興趣、合理施教促進學生學習主動化、少學時條件下精煉教學內(nèi)容和確保教學質(zhì)量等方面進行了積極探索，并結合教學經(jīng)驗給出了相關對策，以期為加快專業(yè)基礎力學課程的教學改革提供參考和借鑒。

關鍵詞：結構力學;教學改革;主動學習;教學互動

中圖分類號：G642;TU3-4? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）43-0034-03

早在2010年，教育部就提出了“卓越工程師教育”，旨在培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、適應社會經(jīng)濟發(fā)展需要的工程技術人才，即面向社會需求培養(yǎng)高層次技術應用型人才[1]。如今，“雙一流”建設已經(jīng)在全國高等院校中廣泛開展，旨在促進我國躋身世界教育強國之列。土木工程學科是我國工科領域的基礎和傳統(tǒng)學科，內(nèi)容涵蓋結構工程、地下工程、巖土工程、橋梁工程、建筑工程以及水利工程等眾多專業(yè)分支，基礎力學課程是所有上述專業(yè)學科領域最為重要的基礎課程之一。如何適應華盛頓協(xié)議下的國際工科教育認證潮流，使培養(yǎng)的技術人才既能滿足我國自身經(jīng)濟建設發(fā)展的需要，又能順應國際土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢，已成為當今工科土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)亟須改進完善的重要問題。

一、基礎力學課程教學改革必要性分析

“雙一流”建設的主要任務在于建設一流師資隊伍、培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才、提升科學研究水平、傳承創(chuàng)新優(yōu)秀文化以及著力推進成果轉(zhuǎn)化，核心思想是推動一批高水平大學和學科進入世界一流行列或前列。然而，當前基礎力學課程體制面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。一方面，工科專業(yè)連續(xù)多年的擴招使得原本不足的教學軟硬件資源愈發(fā)緊缺，只能選擇大班上課。上課人數(shù)一旦過多，則會產(chǎn)生課堂紀律問題，課堂紀律問題又將直接引發(fā)教學質(zhì)量問題。如何在嚴肅、枯燥而又人數(shù)眾多的基礎力學課堂教學中，既創(chuàng)造輕松、愉快的學習氛圍，又激發(fā)學生的學習興趣和熱情，需要開展細致、翔實的課程教學改革實踐[3]。

另一方面，基礎課程的學時壓縮在當前工科教育教學中已經(jīng)是一個明顯的問題，基礎力學課程的教學學時亦是如此，存在學時數(shù)嚴重不足的情形[2]。如一些高校的理論力學課程學時數(shù)為56個，課程內(nèi)容涵蓋靜力學、運動學和動力學三大領域。少學時條件下對基礎力學課程教學方法的探析和改革，應盡早提上日程，以適應新形勢下基礎力學課程的學習和教學的需要。

二、基礎力學課程教改探索與對策

（一）融合專業(yè)，培養(yǎng)長足的學習熱情

基礎力學課程涵蓋土木工程專業(yè)三大力學課程，分別為理論力學、材料力學和結構力學，三大力學對后續(xù)專業(yè)課程（如鋼筋混凝土結構、鋼結構）的學習起到重要的支撐作用，如在鋼筋混凝土結構課程中，學習鋼筋混凝土梁受彎承載力的計算時，采用的取隔離體法繪制受力圖、建立平衡方程的概念就直接源于理論力學的課程學習。

顯然，非常有必要讓學生在學習伊始就清晰地認識到力學課程學習對于專業(yè)課學習及畢業(yè)參加工作后解決實際工程問題的重要性[4]。其一，學好基礎力學課程對于后續(xù)的專業(yè)課程學習具有積極的促進作用，反之則嚴重影響后續(xù)課程的學習效果，“樹高百丈根為本、水流千里終有源”，基礎力學課程就是土木工程專業(yè)知識的根和源。其二，學好基礎力學課程能夠有效解決實際生活或工作中的諸多問題，如現(xiàn)實生活中經(jīng)典的“逆風行舟”現(xiàn)象，采用基本的結構力學知識就能清晰描述。如圖1所示，帆船在水流速度為v的河流中逆風航行，船帆所受的風力R與帆面垂直，將風力R分解為F1和F2兩個力，同時帆船航行過程中還受到水流的阻力P作用，可見水流阻力P與風力的橫向分量F2通過恰當選擇帆面角度可以相互抵消，則風力的另一個分量F1即成為帆船的前進力，實現(xiàn)“逆風行舟”。因此，教師應結合專業(yè)，讓學生明白力學課程以解決實際工程問題為導向，注重對問題根源的探索及對實際問題的解決，進而使之對力學課程產(chǎn)生濃厚的學習興趣和長足的學習動力。

（二）合理施教，將被動學習轉(zhuǎn)為主動學習

蘇聯(lián)著名教育實踐家和教育理論家瓦·阿·蘇霍姆林斯基曾說：所有智力方面的工作，都源于興趣。教學的過程，不能僅僅強調(diào)“老師教”，更重要的在于讓學生“獨立學”，因此作為老師，只有在平凡的教育教學工作中不斷向?qū)W生播撒“求知欲和探索”的精神，才能使其在短暫、浩如煙海的力學知識學習中汲取多的養(yǎng)分，從經(jīng)典的、既有的課本知識學習中主動拓展想象力，舉一反三，培養(yǎng)邏輯思維能力和思維敏感力[5]。

首先，積極營造環(huán)境，讓學生主動迎合教學過程。如在講解平面剛體時，教師可以列三個平衡方程，對于質(zhì)點只能列兩個平衡方程的情況，可以讓學生動手繪制平面直角坐標系，然后在坐標系中分別繪制一個點和一條線，讓學生從數(shù)學的角度思考定義一個點和一條線分別需要幾個參數(shù)，將力學問題與已經(jīng)熟知的數(shù)學知識相結合，能達到深入淺出的教學效果。讓學生參與教學過程，使其始終保持積極、興奮的思考探索狀態(tài)，融入教學、加深理解、形成教與學的良性循環(huán)。

其次，知識歸類遷移，舉一反三。很多時候，在某一種類型的知識學習時都存在內(nèi)在的聯(lián)系，教師要讓學生清晰地把握問題的核心，透過現(xiàn)象認識本質(zhì)，從而起到以點帶面的效果。如在平面剛架約束反力計算中，首先給出如圖2（a）所示的最簡單的剛架，求A、B支座的約束反力，只需列三個平衡方程即可求解。隨后，依次改變平面剛架如圖2（b）、（c）、（d）、（e）所示，從鉸約束不同位置的改變（（a）到（b））到不同約束方式的改變（（b）到（c）），從可解到不能全部求解（（a）、（b）到（c）），從不能全部求解到通過增加一個圓柱鉸到可解（（c）到（d）），然后再到鉸約束位置的改變（（d）到（e）），還可以對比因約束位置改變而產(chǎn)生的不同解法及其原因（（d）與（e））。由淺入深，歸類遷移，幫助學生在枯燥的力學學習中挖掘“魔術”魅力，加深印象，提高學習效果。

再次，活躍課堂氛圍，讓學生愿意說且主動說。在力學課程教學過程中，教師應該積極主動地鼓勵學生發(fā)揮豐富的想象力，讓學生對所學的新知識融入個人獨到的體會和感受，然后在規(guī)定時間積極在課堂上讓其敢于并愿意表達，使其獲得愉悅或成功的體驗，進而撬動內(nèi)在獲取知識、轉(zhuǎn)化應用知識的動力。這種教學方式下，針對部分學生的主動發(fā)言，不論對錯教師都應在不同程度上加以鼓勵、肯定，可以帶動其余學生的學習熱情，學生的發(fā)言過程實際上也是內(nèi)在競爭的外部體現(xiàn)，當愿意發(fā)表獨到見解的學生達到一定規(guī)模時，就會產(chǎn)生由量變到質(zhì)變的效應，此時課堂不再是老師的一言堂，而是一個全員行動、共同參與的課堂，能實現(xiàn)教學相長。

（三）正視少學時，制定個性化教學方法

在面對內(nèi)容多、學時少的基礎力學課程教學時，應堅持“有所為有所不為”的態(tài)度，既保持原則、又不失個性化的教學方法，突破重點、帶動次重點、弱化非重點[6]。其一，精煉講授內(nèi)容，強化對基本概念的理解。如理論力學課程由于涵蓋靜力學、運動學和動力學三大內(nèi)容，如果嚴格按照書本中的知識點一一講授很有可能出現(xiàn)學時不夠的問題，因此在教學過程應強調(diào)概念的理解和運用。如在靜力學部分列平衡方程時，一般都是從平面匯交力系到任意力系（以比較特殊的平行力系）、從一矩式到二矩式再到三矩式來講授，實際上不同的力系及力矩方程使用多寡只是平衡方程在不同場合的應用，如果讓學生首先掌握平衡方程建立的由來、理解平衡方程的概念及意義，那么僅剩如何應用的問題，不管什么場合只是應用環(huán)境不一而已，可以達到既抓住重點、又節(jié)約學時的目的。

其二，聯(lián)系實際，案例教學，通俗易懂。力學是一門相對乏味的課程，但力學所應用的領域卻無處不在，因此在平時的生活工作中汲取力學的應用案例，并引入課堂，將起到事半功倍的效果。如講到摩擦，可以讓學生對比溜冰鞋與跑鞋鞋底的區(qū)別及原因;講到相對運動、絕對運動、牽連運動時，可以列舉平時乘坐的公交車、自己在公交車上走動的例子等。教師應讓學生將枯燥的力學概念與生活案例相結合，實現(xiàn)概念形象化、理解簡單化、投入主動化的教學過程。

其三，精選作業(yè)，嚴格批改、杜絕抄襲。課堂聽講是一種知識攝入的過程，但只有攝入還遠遠不夠，還要求將知識為我所用、吸收并產(chǎn)出，產(chǎn)出大多體現(xiàn)在課后作業(yè)上。在每次講完知識點后要有針對性地布置作業(yè)，可分兩個層次：一是再現(xiàn)知識點作業(yè)，二是知識點理解并轉(zhuǎn)化應用的作業(yè)。嚴格批改作業(yè)，采取必要措施杜絕作業(yè)答案“版本化”，并盡可能詳細地列出作業(yè)中出現(xiàn)的問題。

三、結語

基礎力學課程作為工科土木工程專業(yè)的力學基礎課程和專業(yè)先導課程，在人才培養(yǎng)過程中的地位舉足輕重。本文從高校“卓越工程師教育”和“雙一流”建設切入，剖析了當前環(huán)境下基礎力學課程教學存在的挑戰(zhàn)和改革必要性，從如何培養(yǎng)學生產(chǎn)生濃厚的力學課程學習興趣和長足的學習動力、通過合理的教學方法將學生由被動轉(zhuǎn)為主動學習、在少學時條件下如何突出重點實現(xiàn)教學相長三個層面，探討了基礎力學課程教學改革的方法和對策，為新形勢下進一步加快該課程的教學改革、提升教學質(zhì)量提供了新思路。

參考文獻：

[1] 周臻，陸金鈺，尹凌峰，等. 面向卓越土木工程師培養(yǎng)的結構力學教學改革與實踐[J]. 高等建筑教育，2012，21（04）：74-77.

[2] 徐小麗，金春花. 理論力學教學改革研究[J]. 教育教學論壇，2015（02）：97-98.

[3] 程麗紅，顧連勝，胡艷香，等. 基于應用型人才培養(yǎng)的結構力學課程教學改革的探索[J]. 高教學刊，2016（12）：134-135.

[4] 李會軍，李宗利，史姣. 概念結構力學教學研究與實踐[J]. 黑龍江教育（高教研究與評估），2016（03）：8-10.

[5] 黃川騰，蒲爽. 應用型地方本科院校教學改革初探——以結構力學緒論課為例[J]. 大學教育，2017（08）：38-40.

[6] 鄭玉國. 結構力學課程教學應重視工程直覺的培養(yǎng)[J]. 高等建筑教育，2016，25（01）：100-104.

（責任編輯：淳潔）

基金項目：廣東省結構力學系列課程教學團隊;廣東省研究生“結構動力學”示范課程。

作者簡介：汪大洋（1980—），男，博士，廣州大學土木工程學院副院長，教授，研究方向：工程振動控制;劉東瀅（1982—），男，博士，廣州大學土木工程學院副教授，研究方向：新材料與結構;王菁菁（1986—），女，博士，廣州大學土木工程學院副教授，研究方向：結構振動控制。